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量子模拟:使纠缠的测量变得更容易

量子模拟器(Quantum simulators)允许研究在实验室中难以研究且无法用超级计算机建模的量子系统,旨在提供有关特定物理问题的洞察力。量子模拟器可以解决经典计算机难以模拟的问题,因为它们直接利用了真实粒子的量子特性。特别是,他们利用了称为叠加的量子力学特性,其中使量子粒子同时处于两种不同的状态,例如,与外部磁场对齐和反对齐。至关重要的是,模拟器还利用了称为纠缠的第二种量子特性,甚至可以将物理上分离良好的粒子的行为关联起来。

量子模拟器已经在许多实验平台上实现,包括超冷量子气体系统、极性分子、俘获离子、光子系统、量子点和超导电路。

量子模拟:使纠缠的测量变得更容易

几年后,新一代量子模拟器将可以提供传统超级计算机上的模拟无法提供的见解。量子模拟器能够处理大量信息,因为它们在量子力学上叠加了大量的位状态。然而,由于这个原因,从量子模拟器中读取这些信息也很困难。为了能够重建量子态,需要进行大量的单独测量。用于读出量子模拟器量子态的方法称为量子态层析,或量子态断层扫描。

奥地利科学院量子光学与量子研究所理论物理学家 Christian Kokail 解释说,“每次测量都提供量子态的‘横截面图像’。然后将这些横截面图像放在一起形成完整的量子态,”实验室中所需的测量次数随着系统规模的增加而迅速增加。“测量的数量随着量子比特的数量呈指数增长。”为此,研究人员现在成功地为量子模拟器开发了一种更有效的方法。新方法通过几次测量在经典计算机上重建量子模拟器的量子态。它还允许用户将存储在经典计算机上的量子状态与实验室中的状态进行比较。

量子模拟:使纠缠的测量变得更容易

提供新见解的有效方法

这种使量子态断层扫描更加有效的方法来自量子场论的见解,即以显著更少的测量来执行。论文第二作者、理论物理学家Rick van Bijnen解释说,“令人着迷的是,从一开始就根本不清楚量子场论的预测是否可以应用于我们的量子模拟实验,” “研究来自该领域的较早的科学论文恰好引导我们走上这条道路。”量子场论提供了量子模拟器中量子态的基本框架,然后只需要进行一些测量即可将细节纳入这个基本框架。

基于此,研究人员开发了一种测量协议,通过该协议,量子态的断层扫描成为可能,同时大大减少测量次数。同时,新方法可以获得对量子态结构的新见解。物理学家使用因斯布鲁克研究小组的离子阱量子模拟器的实验数据测试了新方法,“在这个过程中,我们现在能够测量以前在这种质量中无法观察到的量子态的特性。”

离子阱量子模拟器由数百个离子的单平面微小晶体组成,直径小于1毫米,悬停在称为离子阱的装置内。每个离子的最外层电子充当一个微小的量子磁铁,并用作量子位,在传统计算机中相当于“1”或“0”的量子。在基准测试中,物理学家使用激光束将离子冷却到接近绝对零度。精心定时的微波和激光脉冲然后导致量子位相互作用,模仿材料的量子行为。如图所示离子阱量子模拟器:模拟器的核心是比如铍离子的二维晶体(图中蓝色球体);每个离子的最外层电子是一个量子位(红色箭头)。离子在受离子阱装置中的大磁场限制,晶体在阱内顺时针旋转。

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结果验证

该小组两年前所开发的验证协议可用于检查量子态的结构是否真正符合量子场论的预期,可以使用进一步的随机测量来检查基于该理论开发的断层扫描的基本框架是否真正适合或完全错误。

如果框架不适合,协议会发出危险信号。当然,这对物理学家来说也是一个有趣的发现,因为它可能为尚未完全理解的与量子场论的关系提供线索。目前,研究人员正在开发一种量子协议,其中量子态的基本框架不是存储在经典计算机上,而是直接在量子模拟器上实现。

纠缠是量子多体物理学的关键组成部分,在量子模拟器的封闭系统动力学中表征和量化纠缠,在当今量子设备时代仍然是一个挑战。该研究论文提出了一种有效的层析协议,用于重建自旋系统的降低密度矩阵和纠缠谱。关键步骤是根据仅涉及拟局域少体项的纠缠哈密顿量对约简密度矩阵进行参数化。这种拟设适合少数随机测量,并可独立验证。

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